Загальна інформація
Оперативний моніторинг пожеж здійснюється за даними 2 супутників: Aqua та Terra. На кожному з них встановлено камеру MODIS, яка дозволяє знімати землю в різних частинах спектру: від видимого до інфрачервоного. Супутники знімають ту саму територію 2-4 рази на добу. Отримана інформація автоматично обробляється.
Автоматичне дешифрування пожеж ґрунтується на значній різниці температур земної поверхні та вогнища пожежі.
Для аналізу використовують теплові канали, а інформація з інших каналів супутника допомагає відокремити хмари. Після автоматичної обробки виходить маска тих пікселів знімка, температура яких істотно відрізняється від оточуючих гарячі точки або термоточки. Час обробки – 15-40 хвилин з моменту прольоту супутника. Слід пам'ятати, що час прольоту супутника дається за Грінвічем (UTS)! Московський час= UTS+4 години!
Цей метод має низку обмежень. У "гарячі точки" потрапляють будь-які об'єкти, що відрізняються за температурою (наприклад, факели на нафтопромислах, ТЕЦ, нагріті дахи великих будівель). Частина слабких пожеж не враховується через невелику різницю температур. Частина пожеж, що пройшли у перервах між прольотами супутників, також не враховується. Бувають помилкові спрацьовування через сильну хмарність.
Тим не менш, ці дані можна і потрібно використовувати для моніторингу пожеж, особливо на великих територіях, де немає можливості вести наземне спостереження.
Є 3 алгоритми обробки знімків:
1. The Fire Information for Resource Management System (FIRMS) Університет штату Меріленд (США)
2. ScanEx Fire Monitoring Service (SFMS) ІТЦ "Сканекс"
3. «Пожежна» частина інформаційної системидистанційного моніторингу ІСДМ-Рослісгосп
Кожен має свої переваги та недоліки. Система FIRMS найбільш чутлива, здатна виявляти дуже слабкі пожежі, але пропонує велику кількість помилкових спрацьовувань. SFMS менш чутлива, відповідно, пропускає частину слабких пожеж, зате дає набагато менше неправдивих спрацьовувань.
Використання
1. Щоб знати приблизний час отримання даних, треба переглянути розклад прольотів 2 супутників.
Aqua http://www.ssec.wisc.edu/datacenter/aqua/
Terra http://www.ssec.wisc.edu/datacenter/terra/
За посиланнями переходимо на сторінки, вибираємо потрібну територію та дату.
Відкривається сторінка зі схемою прольотів супутника 
Супутник знімає смугу вздовж траєкторії польоту. Фрагмент такої смуги малюнку позначений синім контуром. Ширина смуги зйомки в кожний бік від траєкторії (зелена стрілка) приблизно дорівнює половині відстані між сусідніми траєкторіями (помаранчева стрілка)
Над однією територією супутники пролітають 2-4 рази на день, відповідно стільки разів оновлюватиметься інформація про гарячі точки. На сайтах інформація оновиться через 15-40 хвилин після прольоту.
Термоточки можна переглядати або на спеціальних сайтах, або в програмі "Google Планета Земля"
Сайти. Основні зараз 3.
Найфункціональніший і швидко завантажується, на мій погляд, сайт Космознімки http://fires.kosmosnimki.ru/
Надає за замовчуванням дані системи SFMS, дозволяє переглядати дані FIRMS 
Збільшити або зменшити зображення можна за допомогою лупи або лінійки "Рівень збільшення"
Галочка Космознімки дозволяє переглядати останні знімки супутників Aqua, Terra. Знімки видно лише до 9 рівня збільшення.
Будь-який намальований контур, наприклад, велика пожежа, видима на знімку MODIS, можна завантажити (посилання "завантажити shp-файл" під даними про площі). Також можна додати свої контури у векторному форматі (заархівований шейп-файл).
Окремі гарячі точки видно з 8 рівня збільшення.
Можна переглядати дані не лише за один день, а й за будь-який період часу, для цього треба натиснути на трикутник праворуч від дати. З'явиться червона рамка, в межах якої буде видно термоточки. Її форму та розміри можна змінювати, рухаючи курсором за кути або за лінії. У двох вікнах потрібно виставити початкову та кінцеву дати.
Сайт FIRMS, простий і зрозумілий, хоч і англійською. Мінус-довго завантажується. 
Якщо погортати закладки, можна знайти корисне, наприклад, увімкнення шару з межами ООПТ, можливість перемикання з картки на підкладку зі знімків, інформацію про час останнього оновлення.
Сайт «Пожежної» частини інформаційної системи дистанційного моніторингу ІСДМ-Рослісгосп firemaps.nffc.aviales.ru/clouds/html/cl ouds_proj.html. Теж все просто. 
Якщо не хочеться лазити сайтами, можна переглядати термоточки в програмі "Google Планета Земля"
Карта лісових пожеж, Розроблена компанією «Сканекс» відображає вогнища загоряння в реальному часі як по Росії (шар ScanEx), так і по всьому світу (шар FIRMS).
На відстані видно кола, що відображають зразкову силу та масштаб пожеж для кожної місцевості.
Чим більше коло - тим більше вогнищ у ньому.
При збільшенні карти, вогнища загоряння (або термоточки) відображаються червоними квадратиками:
Поверх звичайних супутникових знімків можна накласти щоденні зроблені супутниками TERRA і AQUA фотографії.
Контури знімків: 
Самі знімки:
Одну точку можуть захоплювати кілька різних фотографій, зроблених у різний час, під різними кутами, та з різною хмарністю. Тому для перемикання між знімками можна клікати на них мишкою.
При натисканні на який-небудь знімок він "падає в самий низ". Це не інтуїтивно та не зручно, але звикнути можна. У будь-якому випадку, дивлячись на конкретну пожежу, можна зробити кілька кліків поспіль, щоб знайти найкращий знімок.
Вигорілі площі видно на щоденних знімках, як темно-коричневі плями.
Наприклад, тут видно не лише «шрами» від літніх пожеж цього року, а й торішні, які вже почали затягуватися (світло-коричневі із зеленим відтінком):
знімок від 17 серпня 2014
Ще кілька плям, кожна з яких завдовжки понад 40 кілометрів. Щоб зрозуміти масштаб лиха - наведемо порівняння: кожна пляма за площею більша за Петербург.
знімок від 17 серпня 2014
Але на щоденних знімках є й дивні речі – водоймища (озера та річки) пофарбовані яскраво-червоним (як осередки пожеж). Імовірно, цей ефект виникає через те, що супутники знімають у мультиспектральних режимах, і швидше за все вода відображає ті частини спектру, які супутник (або софт, що обробляє знімки) інтерпретує як "гарячий".
На фото – чорне море
А ось анімована карта пожеж по всьому світу за 2012 (по місяцях). Можна простежити як змінюється інтенсивність та кількість пожеж залежно від пори року.
На наступній анімації показано з якою швидкістю може поширюватися пожежа у степу за сильного вітру.
Моніторинг лісових пожеж- система спостережень та контролю за пожежною небезпекою у лісі за умовами погоди, станом лісових горючих речовин іматеріалів , джерелами вогню та лісовими пожежами з метою своєчасного розроблення та проведення заходів щодо попередження лісових пожеж та (або) зниження збитків від них. Моніторинг лісових пожеж організаційно складає 4-х рівнях: федеральному, регіональному, муніципальному і локальному. На федеральному рівніорганізацію робіт з моніторингу лісових пожеж федеральний органуправління лісовим господарством Росії; на регіональному - органи управління лісовим господарством суб'єктів РФ; на муніципальному та локальному - лісгоспи та інші організації, підприємства та установи, що здійснюють ведення лісового господарства, а також підрозділи «Авіалісоохорона», що займаються виявленням та гасінням лісових пожеж .
З урахуванням використовуваних засобів моніторингу лісових пожеж можна назвати наземний, авіаційний і космічний рівні. Для наземного виявлення пожеж використовуються такі технічні засоби:
- промислові телевізійні установки та телевізійні лазерно-дальномірні комплекси;
- дистанційно-пілотовані літальні апарати;
- грозопеленгатори-дальноміри;
- метеорологічні станції радіолокації;
- геодезичні інструменти для візування на димову точку;
- пожежні наглядові пункти, кількість та місцезнаходження яких повинні забезпечувати визначення місця появи диму з точністю щонайменше 0,5 км.
Для патрулювання лісової території з повітря застосовується мала авіація, яка має незаперечні переваги в даній галузі застосування: низьку собівартість льотної години, невибагливість до аеродромів та технічного обслуговування та незначну шкоду для навколишнього середовища. Моніторингом лісових пожеж охоплено територію всього лісового фондуРФ, де виділяють ліси, що активно охороняються і не охороняються, а також забруднені радіонуклідами території та акваторії. Об'єктами моніторингу є: передпожежна атмосфера; прогнозування лісових пожеж та надзвичайних лісопожежних ситуацій; лісова пожежа, що є джерелом вражаючих факторівта ймовірним джерелом НС; післяпожежна обстановка.
Спостереження та контроль за передпожежною обстановкою в лісовому фонді ведуться протягом усього пожежонебезпечного сезону та включають: спостереження, збирання та обробку даних про ступінь пожежної небезпеки в лісі за умовами погоди; оцінку ступеня пожежної небезпекиу лісі за умовами погоди за загальною або регіональною шкалою пожежної небезпеки. На території лісового фонду контролюються такі параметри: - температура повітря; температура точки роси; кількість опадів; швидкість та напрямок вітру. Крім того, використовується інформація щодо наявності грозової діяльності. Критерієм наступу високої пожежної небезпеки є відповідні значення комплексного показника пожежної небезпеки у лісі за умовами погоди.
Моніторинг лісових пожеж ґрунтується на використанні різних засобів зображення земної поверхні - знімків із космосу та з літаків, карт, схем. При цьому основний картографічний матеріал для моніторингу регіонального, муніципального та локального рівнів повинен бути складений на точній топографічній основі, мати координатну сітку та відображати ступінь пожежної небезпеки лісів.
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
Дані супутникових спостережень дуже важливі в оцінці поширення лісових пожеж, виявлення їх осередків, аналіз розвитку димів від пожеж, гарей, виявленні небезпеки виникнення пожеж.
Можливість ліквідації пожежі на малій площі, особливо в умовах високої пожежної небезпеки, визначається оперативністю виявлення. Таким чином, найбільш відповідними вимогамиоперативного моніторингу лісових та торф'яних пожежвідповідають супутники з високою радіометричною роздільною здатністю та високою періодичністю зйомки (серії NOAA та EOS). Для моніторингу наслідків пожеж необхідно використовувати супутники з високою просторовою роздільною здатністю.
Завдання моніторингу пожежта їх наслідків:
- детектування пожеж, визначення місць загоряння;
- моніторинг та контроль розвитку пожеж;
- оцінка пожежної небезпеки у межах сезону;
- прогнозування ризиків виникнення пожеж у довгостроковій перспективі;
- оцінка наслідків пожеж. Поєднання знімків до та після пожеж дає можливість виявити гару, визначити їх площі на поточний час та оцінити завдані збитки.
Наслідки впливу лісових пожеж на навколишнє середовищета людини:
- Економічні:втрати деревини, зокрема. ушкодження молодняків, ресурсів побічного лісокористування; Витрати на гасіння, розчищення горильників та ін; відновлювальні роботи; збитки інших галузей: припинення авіа-, залізничних-, автоперевезень, судноплавства та ін.
- Екологічні:забруднення продуктами горіння повітряного середовища, водного середовища, ґрунтів:
- знищення кисню;
- теплове забруднення;
- масовий викид парникових газів;
- зміна мікроклімату;
- задимлення та загазованість атмосфери;
- загибель тварин та рослин;
- зниження біорізноманіття.
- Соціальні:загибель та травматизм людей, безпосередньо у зоні пожежі; погіршення психофізіологічних показників населення: фізичних, емоційних, інтелектуальних, репродуктивних, спадковість; зростання захворюваності населення; зменшення тривалості життя.
Для детектування пожеж використовуються теплові канали космічних знімків(Мал.1, Табл. 1, 2.).
Таблиця 1. Діапазони довжин хвиль.
Малюнок 1
| Діапазон | Скорочення | ||
Українська |
Англійська |
Українська |
Англійська |
Ультрафіолетовий |
|||
Інфрачервоний |
|||
Близький ІЧ |
|||
Середній ІЧ |
Short Wave Infrared |
||
Далекий ІЧ |
Mid Wave Infrared |
||
Тепловий ІЧ |
Thermal Infrared |
||
Мікрохвильовий |
|||
Космічні апарати, які дозволяють детектувати вогнища пожежі, представлені вТаблиця 1.
Таблиця 2. Характеристики КА.
КА/Прилад |
NOAA/ |
TERRA(AQUA)/
|
LANDSAT/ |
TERRA/ |
Огляд, км. |
||||
Радіометрична роздільна здатність, біт |
NIR – 8 |
|||
Просторове дозвіл, м.м. |
NIR - 250-1000 |
NIR, SWIR - 30 TIR - 60 |
NIR – 15 |
|
Кількість спектральних каналів в ІЧ діапазоні |
NIR – 1 |
NIR – 6 |
NIR – 1 |
NIR – 1 |
Методи детектування пожеж базуються на аналізі температур яскравості окремих спектральних каналах.
Ключовою ознакою пошукового явища є локальне підвищення температури у місці загоряння.
Виявлення вогнищ пожеж візуальним способом дозволяє швидше та точніше визначити пороги виявлення теплових аномалій. В загальному випадкуці пороги будуть різними. Це пов'язано насамперед із площею та температурою горіння, часом року та доби, та з географічними координатами місця пожежі.
Присутність вогнища горіння у видимому спектрі визначається за наявності основної дешифрувальної ознаки лісових пожеж – димового шлейфу.
За формою на знімку вогнище нагадує конус світло-сірого кольору. Слід пам'ятати, що периста та шарувата хмарність за своєю структурою та яскравістю можуть нагадувати димові шлейфи лісових пожеж. Тому ті частини знімків видимого спектру, де заздалегідь виявлено лісову пожежу, проглядаються інфрачервоному діапазоні спектра. В цьому випадку шлейфи диму від лісових пожеж практично не проглядаються.
В основі всіх методів лежать такі принципи:
- Аналіз розподілу сигналу в межах певних спектральних каналів апаратури спостереження;
- Порогове правило віднесення ділянки зображення (або піксела) до відповідного класу;
- Статистичний аналіз розподілу спектральних характеристик окремих ділянок зображення (або пікселів);
- Аналіз достовірності віднесення зареєстрованого сигналу до відповідного класу.
Послідовність процедур обробки космічних зображень:
- Визначення інформаційних каналів.
- Відокремлення хмар, водних об'єктівта втрачених даних на знімках у певних каналах.
- Визначення місць потенційних пожеж.
- Визначення локальних спектральних особливостей поверхні та реєстрація пожеж за непрямими ознаками.
- Уточнення детектування з урахуванням локальних особливостей, застосування комплексних правил визначення пожеж.
- Аналіз можливості помилкового розпізнавання.
- Завіряє результати детектування та прийняття рішення.
Алгоритм автоматичного визначення вогнищ пожеж реалізовано в програмне забезпечення, що поставляється ІТЦ «Сканекс»:
- ScanViewer(Для супутників серії NOAA). Cпеціалістами ІТЦ Сканекс в додатку ScanViewer реалізований апарат, що дозволяє проводити автоматичне детектування вогнищ лісових пожеж за даними радіометра AVHRR, що входить до складу бортового вимірювального комплексу ШСЗ серії NOAA. Поєднання алгоритмів автоматичного виявлення з візуальним переглядом зображення та накладанням картографічної інформації становить основу інтерактивної технології виявлення та моніторингу лісових пожеж. Нестача цих методів полягає в тому, що точно можна визначити лише великі пожежі.
- ScanEx MODIS Processor(Для супутників серії EOS). Для виявлення та оперативного виявлення пожеж у додатку ScanEx MODIS Processor використовуються алгоритми, розроблені для приладу MODIS та дозволяють визначити місцезнаходження пожеж та їх інтенсивність.
Методика виявлення пожеж
заснована на порівнянні температур (інтенсивностей вхідного сигналу, отриманого радіометром MODIS) кожного пікселя у двох інфрачервоних спектральних каналах, 21 канал (4 мкм T4) та 31 канал (11 мкм T11). Ця методика реалізована в рамках програми Scanex Modis Processor з можливістю діалогового налаштування вхідних та вихідних параметрів.
При цьому вважається, що чим вище температура пікселя в 21 каналі, тим більша ймовірність пожежі. Аналогічно, чим більша різниця температур у каналах 4 мкм. та 11 мкм. (dT411), тим більша ймовірність пожежі.
Потенційне вогнище пожежі виявляється двома способами:
- Абсолютні значення кожної з вищезгаданих величин у пікселі (T4 та dT411) перевищують допустимі межі, задані в параметрах маски пожеж (наприклад, T4 вище 360К вдень або dT411 більше 25K вдень).
- Значення інтенсивності сигналу в каналі 4 мкм деякого пікселя сильно відрізняється від оточення (наприклад, T4 > T4b + pT4.sdc*dT4b - температура поточного досліджуваного пікселя в каналі 4 мкм більше середньої температури навколишніх пікселів + стандартне відхилення температури навколишніх пікселів (Standard deviation coefficient, зазвичай pT4.sdc = 3)).
У програмі є набір параметрів, які відповідають за те, чи буде той чи інший піксель реєструватися як осередок пожежі чи ні. Поєднання цих параметрів (маски пожеж) істотно залежить від регіону. Наприклад, лісостепова територія Курганської області та Івдельська тайга мають різні спектральні характеристики відображення в тепловому діапазоні, який приймає радіометр MODIS. Крім того, комбінація цих параметрів залежить від сезону (зима, весна, літо, осінь) і навіть часу прийому.
- Програмний модуль "Fire detection"до пакету прикладних програм ERDAS Imagine із критеріями (Табл. 3.).
Таблиця 3.Критерії виявлення теплової аномалії.
де Т3р, Т34р, Т4р - температурні пороги, I2, I1 - інтенсивність випромінювання в 1 і 2 каналах.
Температурні пороги задаються оператором у таких інтервалах: Т3р – 310-322 К; Т34р – 7-15 К; Т4р - 275-285 К. За замовчуванням, для літнього часу задаються такі температурні пороги: Т3 = 312 К; Т34 = 15 К; Т4 = 276 К.
Радіометр MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) ( Табл. 4.) є одним з ключових знімальних приладів, встановлених на борту американських супутників TERRA (на орбіті з 1999 р.) та AQUA (на орбіті з 2002 р), які здійснюють дослідження Землі з космосу за програмою EOS (Earth Observing System) національної аерокосмічної агенції (NASA) ) США.
Таблиця 4.Основні технічні характеристики MODIS.
Номери каналів |
Спектральний діапазон(мкм) |
Ширина смуги огляду (км.) |
Період зйомки |
Просторовий дозвіл (м.) |
||
Бачний (червоний) |
||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||
Видимий (синій) |
||||||
Видимий (зелений) |
||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||
MIR (середній інфрачервоний) |
||||||
Видимий (синій) |
||||||
Видимий (зелений) |
||||||
Бачний (червоний) |
||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||
TIR (тепловий інфрачервоний) |
||||||
Радіометр MODIS дозволяє здійснювати щоденний оперативний моніторинг територій, при цьому періодичність спостереження залежить від її розмірів та географічне розташування, а також кількості використовуваних супутників.
Періодичність спостереження окремої території під час зйомки одним супутником становить від 1-2 разів на денний час і стільки ж разів уночі. При зйомці двома супутниками частота спостережень подвоїться – від 4 до 12 разів на добу (залежно від географічного розташування території).
Для практичного використання даних MODIS розроблено та регулярно вдосконалюються алгоритми обробки первинних даних радіометра, існує 44 стандартні інформаційні продукти (модулі - MOD).
Для виявлення теплових аномалій та пожеж використовується модуль ( MOD14). Він дозволяє забезпечити оперативне виявлення та моніторинг природних (лісових) пожеж, вулканів та інших теплових аномалій з роздільною здатністю 1 км. MODIS може зафіксувати пожежу на площі менше 1 км2.
Алгоритми детектування пожеж в автоматичному режимі ґрунтуються на значній різниці температур земної поверхні (зазвичай не вище 10–25 °C) та вогнища пожежі (300–900 °C). Майже 100-кратна відмінність у тепловому випромінюванні об'єктів фіксується на знімку, а інформація, що надходить з інших спектральних каналів, допомагає відокремити хмари.
Зйомка тепловою апаратурою спектрорадіометра MODIS з просторовою роздільною здатністю 1 км дає змогу виявити вогнище пожежі площею від 1 га або підземну пожежу площею від 9 га.
На супутниках серії NOAA встановлено два комплекси приладів: AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) (Табл. 5.) та комплект апаратури для вертикального зондування атмосфери.
Космічна зйомка апаратами NOAA дозволяє відстежувати пожежі в основному в регіональному масштабі через низьку просторову роздільну здатність знімків (1,1 км).
Таблиця 5.Основні технічні характеристики AVHRR.
Номери каналів |
Спектральний діапазон(мкм) |
Ширина смуги огляду (км.) |
Період зйомки |
Радіометричний дозвіл (біт) |
.) |
|
Видимий (зелений) |
||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||
3 A |
NIR (ближній інфрачервоний) |
|||||
3 B |
NIR (ближній інфрачервоний) |
|||||
TIR (тепловий інфрачервоний) |
||||||
TIR (тепловий інфрачервоний) |
||||||
Для виділення вогнищ пожеж за допомогою "порогового" або "контекстуального" алгоритму попередньому етапівся інформація, що отримується з супутників NOAA, повинна бути відкалібрована. Це означає, що першого і другого каналів апаратури AVHRR необхідно отримати значення альбедо А1, А2 відповідно. А для третього, четвертого та п'ятого каналів - значення еквівалентної радіаційної температури Т3, Т4 та Т5 відповідно.
Методи визначення пожежбазується на використанні оцінки випромінювання за 3В, 4, 5 каналами AVHRR, які відповідають інфрачервоному діапазону спектра. пожежі визначаються як екстремальні значення випромінювання по 3В каналу (на цю область припадає максимум випромінювання об'єктів за температури горіння 800-1000К) AVHRR.
Шлейфи диму, спричинені пожежами, добре визначаються на 1 та 2 каналах AVHRR.
Для більш точної ідентифікації пожеж використовуються порогові алгоритми, за якими визначається температура випромінювання по 3-му та 4-му каналах. Прилад AVHRR відкалібрований за температурою до 330К.
Відомо, що максимум потоку випромінювання чорного тіла, нагрітого до температури 800-1000 К, посідає середню інфрачервону область електромагнітного спектра з довжиною хвилі 3-4 мкм. Виходячи з характеристик апаратури AVHRR як основна ознака для розпізнавання теплової аномалії приймаються дані третього каналу, що працює в діапазоні 3,55-3,93 мкм.
Оскільки просторова роздільна здатність апаратури AVHRR становить 1,1 км, то в ідеальному випадку можна виявляти об'єкти, лінійні розміри яких перевищують 1,1 км. А завдяки високій інтенсивності випромінювання в середньому ІЧ-діапазоні та високому радіометричному дозволу апаратури стає можливим виявлення теплових аномалій природного і техногенного характерубагато менших розмірів. В ідеальних умовах спостереження за максимального контрасту м. 3-м і 4-м каналами апаратури AVHRR є принцип. можливість виявлення пожеж із площею 0,2-0,3 га.
Використання в пороговому алгоритмі лише третього каналу (один поріг) призводить до виникнення великої кількостіпомилкових тривог. Це пов'язано насамперед із відображенням енергії сонячного випромінювання крайками хмар (найбільше помилкових тривог), водною поверхнею, піском, відкритими гірськими породами, асфальтовими покриттями та бетонними спорудами. Щоб уникнути помилок, необхідно використовувати дані інших спектральних каналів.
Порогові алгоритми виділення вогнищ пожеж:
- Алгоритм Кауфмана (1991 рік): T3 > 316 К, T3-T4 > 10 К і T4 > 250 К. Тут Т3, Т4, Т5 - радіо-яскрава температура в 3-, 4- та 5-му каналах апаратури AVHRR відповідно.
- Алгоритм Франса (1993 рік): T3 > 320 К, T3-T4 > 15 К, 0< (T4-T5) < 5 К, A1 < 9%, где А1 - значение альбедо в 1 -м канале.
- Алгоритм Кеннеді (1994 рік): T3 > 320 К, T3-T4 > 15 К, A2< 16%, где А2- значение альбедо во 2-м канале.
Якщо елемент дозволу відповідає умовам алгоритму, він належить до класу пожеж; якщо ж не задовольняє хоча б одну з цих умов, то до фону.
Всі ці алгоритми орієнтовані на вогнища пожеж досить великої площі та інтенсивності, що для вирішення завдань виявлення пожежної обстановки є неприйнятним, тому що важливо виявляти пожежі початкового ступеняїх розвитку з метою мінімізації матеріальних витрат за ліквідацію вогнища займання. Крім того, дані алгоритми вкрай не бажано використовувати для виявлення перегрітого торфу в торфовищах.
На сьогоднішній день у центрі прийому та аналізу авіаційно-космічної інформації МНС Росії за основу прийнято алгоритм Кауфмана (1)з "плаваючими" порогами. Як зазначалося раніше, на етапі попередньої обробки інформації з апаратури AVHRR визначаються явні вогнища природних пожежнаявність димових шлейфів.
Після калібрування зображень визначаються характеристики виявлених вогнищ і фону, що прилягає до них, на основі яких і вибираються відповідні пороги. Після аналізу аналогічних характеристик підстилаючої поверхні в межах знімка спільно з характеристиками вогнищ пожеж "плаваючі" пороги.
Однак не слід повністю довіряти результатам виділення вогнищ пожеж з використанням даних порогів, оскільки можливі випадки відображення електромагнітної енергії від крайок хмар, і можлива поява помилкових тривог, спричинених перегрітим піском та різними техногенними утвореннями. Тому сумнівні точки, що знаходяться надто близько до хмар, поблизу річок, морів тощо, необхідно піддати додатковій перевірці.
Додаткова перевірка полягає в аналізі відбивної здатності пікселів, що цікавлять нас, в першому і другому каналах апаратури AVHRR. Якщо значення альбедо у першому каналі більше, ніж значення альбедо у другому каналі ( A1 > A2), то цю точку в переважній більшості випадків можна однозначно віднести до хибної тривози. але можливі випадки, коли виникають сумніви щодо правильності такого рішення (наприклад, відсутність хмарності чи піску). У цьому випадку ми класифікуємо дану точку як можливе вогнище пожежі, якщо немає будь-якої додаткової інформації про район, що розглядається. Якщо ж значення альбедо у першому та другому каналах перевищують 10-16% (залежно від умов спостереження), то дана точка також класифікується як помилкова тривога. У всіх інших випадках приймається гіпотеза про наявність теплової аномалії в точках, що розглядаються.
Якщо число помилкових тривог досить велике, можна кілька завищити поріг по третьому і/або четвертому каналу. Таким чином, не вдається повністю позбавитися хибних тривог і все одно доводиться перевіряти більшість ймовірних вогнищ. Крім того, ми свідомо виключаємо з розгляду пожежі малої площі, що також є неприпустимим.
Хмарність є непрозорим середовищем для ІЧ-випромінювання, тому для пікселів, де її розмір займає понад 60-70% зображення, вона виділяється автоматично. Оскільки хмарність холодніша за земну поверхню, можливе встановлення порогу яскравої температури в 4- або 5-му каналі радіометра з маскуванням пікселів зображення, що не перевищують зазначене граничне значення.
Як базовий алгоритм виділення хмарності для даних AVHRR пропонується взяти стандарт SHARP-2 Європейського космічного агентства. У цьому стандарті передбачається класифікація, що розділяє пікселі зображення на такі класи: земна поверхня (ЗП), вода, хмарність.
Виділення хмарності на вихідному зображенні відбувається за умовами стандарту SHARP-2 ЕКА:
- "Хмарність", якщо A(2)/A(1) > 0.9 & A(2)/A(1)< 1,1&T4 < 294 К
- "Хмарність", якщо Т4< 249 К
- "Хмарність", якщо Т4-T2 > 274 К & T4< 290 К
Авторами зроблено припущення, що ці умови погано пристосовані визначення межі хмарність/ЗП і виділення " розірваної хмарності " біля Європейської частини Росії, тому ними запропоновано запровадити додаткове умова. Такою умовою є аналіз яскравих характеристик 4-спектрального діапазону.
При аналізі використовується додаткова умова (4), в якій аналізується СКО (4) еквівалентної радіаційної температури в 4-спектральному діапазоні приладу AVHRR, обчислене вікном 15х15 пікселів:
σ4≤σпор,
де σпор - порогова еквівалентна радіаційна температура в 4-спектральному діапазоні приладу AVHRR по вікну 15х15 пікселів, значення якої визначається результатом дослідження.
За результатами обробки тестових зображень для Європейської частини Росії (48-67 північної широти) σпор = 1,3.
Оскільки в спектральних діапазонах 4- та 5-го каналів приладів AVHRR/2 (3) вплив Сонця на характеристики зображення мінімальний, то відсівання хмарності можна проводити, аналізуючи СКО яскравості. При цьому модифікованому контекстуальному алгоритмі враховується як значення СКО яркостных характеристик пікселя, а й умови стандарту SHARP-2 для даних AVHRR.
Для тестування та обліку у модифікованому контекстуальному алгоритмі вибираються умови класифікації зі стандарту SHARP-2, які були взяті як базові умови. Для тестування було написано модель виділення водяної поверхні. Для аналізованого зображення Х(x1,..., x5) проводиться класифікація пікселів за ознаками: "вода", "хмарність", "земна поверхня". В результаті класифікації з урахуванням умов, на водну поверхню та різну хмарність із вихідного зображення створюється два проміжні шари. Перший, що складається з 0 і 1, де 0 відповідає пікселю, який був класифікований як шум і відповідає 1 пікселю, який був класифікований як земна поверхня. Другий, що складається з 0 та T3, де 0 відповідає пікселю, який був класифікований як шум, а T3 відповідає радіаційній температурі у 3-му каналі AVHRR для пікселя, який був класифікований як земна поверхня.
Всі пікселі, класифіковані як "вода" та "хмарність", у подальшому аналізі "наявності сигналу" не розглядаються.
Послідовно для кожного пікселя виділяється центральна локальна область розмірами 15х15 пікселів. Для цієї області розглядаються 5-канальні характеристики пікселів. Також розраховується кількість пікселів, відмінних від класів "вода" та "хмарність", і для них розраховується середнє значення T3пор.
Ознакою виділення сигналу є умова: T3ср > T3ср.пор.. При виконанні цієї умови приймається рішення про "наявність пікселя з пожежею".
Застосування модифікованого контекстуального алгоритму дозволяє зменшити ймовірність "неправдивої тривоги" на 10-15% на території Північної та Центральної частини Росії. Природним плюсом даного алгоритму є відносна робота та незалежність від кута Сонця та часу доби. Найбільший недолік – непрацездатність контекстуального алгоритму у разі наявності хмарності у текстурних районах зображення.
Таблиця 7.Основні характеристики сканера TM (Landsat 5).
|
Номери каналів |
Спектральний діапазон |
Ширина смуги огляду (км) |
Період зйомки |
Радіометричний дозвіл (біт) |
Простений дозвіл |
|
Видимий (синій) |
||||||
Видимий (зелений) |
||||||
Бачний (червоний) |
||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||
TIR (тепловий інфрачервоний) |
||||||
MWIR (далекий ІЧ) |
||||||
Таблиця 8. Основні технічні характеристики радіометра ETM+ (Landsat 7).
Номери каналів |
Спектральний діапазон |
Ширина смуги огляду (км) |
Період зйомки |
Радіометричний дозвіл (біт) |
Просторове дозвіл |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Видимий (синій) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Видимий (зелений) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Бачний (червоний) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
NIR (ближній інфрачервоний) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
TIR (тепловий інфрачервоний) ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) ( Табл. 9)- удосконалений космічний радіометр теплового випромінюванняі відображення) - це одна з п'яти знімальних систем на борту супутника Terra, що поєднує широкий спектральний охоплення та високий просторовий дозвіл у видимому, ближньому інфрачервоному (БІК), середньому інфрачервоному (СРІК) та тепловому інфрачервоному діапазоні. Таблиця 9.Основні технічні характеристики Aster.
Абсолютна радіометрична точність спектральних зон становить 4% для видимого і ближнього інфрачервоного діапазону, і 1-3 К для теплового діапазону, залежно від температури. Зони теплового діапазону призначені реєстрації температури земної поверхні. Таблиця 10Візуальне дешифрування космічних знімків.
Список джерел
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Джерело: te-st.ru
На сайті te-st.ruопубліковано інтерв'ю із Г. Потаповим. Публікуємо текст повністю; оригінал знаходиться.
Ми поговорили з Георгієм Потаповим, керівником проекту «Космознімки – Пожежі», про моніторинг, обробку даних із супутників та використання карти пожеж.
Є.І.: Розкажіть, як і коли з'явився проект «Космознімки – Пожежі»?
Г.П.: Історія проекту «Космознімки – Пожежі» розпочинається з 2010 року. Багато хто пам'ятає, яка тоді була ситуація з пожежами та інформацією про них – довкола була інформаційна паніка, зумовлена тим, що інформації було мало. При цьому всі знали, що довкола горять ліси, торфовища. Усі дихали смогом, шкідливим для здоров'я, але інформації практично не було: що горить? Де горить? Чи горить поблизу вашої дачі? Чи горить поблизу вашого міста? Куди понесе дим найближчими днями?
Як один із вкладів у видалення цього інформаційного голоду ми в компанії ScanEx зробили публічну карту пожеж і стали викладати на неї всю інформацію, яку могли отримати з технології супутникового моніторингу.
З того часу ми випустили версію із глобальним покриттям пожеж за рахунок інтеграції даних NASA, американського аерокосмічного агентства. NASA також є оператором супутників, дані яких ми обробляємо.
На початку цього літа відбулася друга важлива зміна – з'явилася бета-версія сервісу оповіщення. Це те, що ми давно хотіли зробити – створити комунікаційний сервіс. Завдяки цьому сервісу користувачі зможуть отримувати інформацію про ситуацію на території, що його цікавить. Наприклад, якщо у вас є мобільний додаток, ви отримуєте інформацію про попередження або погрози на околицях свого розташування. Також можливо буде отримувати по електронній поштізвіти про пожежі.
Є.І.: А хто приймає рішення про те, чи є ця ситуація загрозою і чи надсилати повідомлення?
Г.П.: Зараз ми за фактом транслюємо всю інформацію – якщо є в нашій системі інформація про пожежу, ми надсилаємо повідомлення. Ми плануємо надалі аналізувати цю інформацію з погляду загроз, зокрема – куди ця пожежа може поширюватися і чому вона може загрожувати. Поки що аналітика перебуває в такому зародковому стані. Наприклад, визначаються усі міста, які знаходяться у безпосередній близькості від місць, де відбуваються пожежі.
Є.І.: Це визначається машинним методом? Як взагалі система розуміє, що у цьому місці пожежа?
Г.П.: Так, це автоматизована система. Вона працює на основі автоматичних алгоритмів розпізнавання термальних аномалій інфрачервоними каналами супутникової зйомки. Метод ґрунтується на різниці температур в інфрачервоних каналах, і якщо є якась термальна аномалія, алгоритм сприймає її за пожежу. Потім за допомогою настройок проводиться додаткова параметризація цього сигналу, а після цього приймається рішення про те, чи ця точка є пожежею, чи ні.
Є.І.: Дані, які ви отримуєте з супутників, знаходяться у відкритому доступі? Як вони потрапляють до вас?
Г.П.: Інформація із супутників – це відкриті дані, це інформація з американських супутників «Terra», «Aqua» та «NPP». За програмою NASA Earth Observation Program було запущено два супутники, зараз до них приєднався третій. Супутники мають обмежений ресурс, тому, можливо, деякі з них з часом вийдуть з ладу. Але взагалі в майбутньому їх має ставати більше, дані з них, сподіваюся, будуть відкритими, і нам вдасться використовувати їх для різних цілей, у тому числі для моніторингу пожеж.
Зараз дані потрапляють до нас із двох джерел. Перше джерело – це мережа центрів ScanEx, центрів прийому та обробки даних, з яких ми отримуємо результати детектування пожеж, викладаємо ці результати на картку тощо. А друге джерело – це інформація більше високого рівнями завантажуємо з серверів NASA. Із серверів NASA ми завантажуємо вже готові маски пожеж – виділені за супутниковими знімками пожежі. Далі ми так само ці дані додаємо на карту і візуалізуємо їх як окремий шар. Якщо ви подивитеся, то на карті є два шари – пожежі ScanEx та пожежі FIRMS.
Є.І.: Ви не поєднуєте їх в один шар?
Г.П.: Ні, тому що один з них більш оперативний, а інший надає глобальне покриття. Тому зараз ми їх не склеюємо.
Є.І.: Чому один із шарів є більш оперативним, і яка різниця між ними у часі?
Г.П.: Пара годин, як нам здається, у середньому. Тому що дані на американських серверах викладаються з деякою затримкою - доки долетить супутник і скине інформацію, можливо, затримка пов'язана ще з ланцюжком обробки. Але оперативність – це один із компонентів інформаційного сервісу, яка важлива для рятувальників та для служб, що приймають рішення на основі цієї інформації. Для них, чим раніше вони дізнаються про пожежу, тим краще, тим меншими засобами та силами вони можуть із цією пожежею впоратися.
Причому, як правило, рятувальниками, лісниками та МНСівцями використовується комплексний моніторинг – і наземні засоби спостереження, спостерігачі, які сидять на вежах, та відеокамери, встановлені на вежі, на зображення з яких оператор дивиться в диспетчерському центрі. Але є великі території, на яких жодна інша інформація не є доступною, крім космічної зйомки.
Є.І.: А наскільки точними є дані? Чи були ситуації, коли помилково визначалася пожежа?
Г.П.: Так, це часто проблема взагалі в автоматичних алгоритмах. Ви завжди вибираєте: або у вас є надмірна інформація, але ви можете отримати багато помилкових спрацьовувань, або ви обмежуєте ці помилкові спрацьовування, але при цьому упускаєте, можливо, якусь інформацію. Це неминуче, і навіть якщо очима шукати на супутниковому знімку термальні аномалії, все одно можна помилитися і прийняти неправильне рішення про те, чи є конкретна термальна аномалія пожежею чи не є.
Крім того, є, наприклад, така проблема, як техногенні джерела тепла – труби заводів, смолоскипи, які утворюються при спалюванні газу під час видобування нафти. Все це часто залишає сигнал на карті пожеж. Але ми такі помилкові тривоги намагаємось фільтрувати тим, що просто наносимо ці місця на карту і створюємо таку маску, яка фільтрує ці помилкові сигнали.
Якщо ви подивитеся на карту, то для шару ScanEx є жовті пожежники, позначені іншим стилем, - це ті можливі техногенні джерела, основу яких ми намагаємося поповнювати по мірі сил.
Є.І.: Як у такому разі здійснюється верифікація даних?
Г.П.: Як я вже сказав, ми створюємо маску цих техногенних джерел, тобто. ми просто термоточки – пожежі, визначені за супутниковими даними, – маскуємо на околиці техногенних джерел. А самі джерела просто відзначаємо на карті – дивимося на супутникові знімки, іноді підвантажуємо шар із Вікімапії для того, щоб подивитися, чи є на цьому місці якийсь завод чи якесь видобувне підприємство, від якого можуть виникнути смолоскипи.
Є й інший спосіб – автоматичної верифікації, отриманий результат якого перевіряється вручну. Цей спосіб дозволяє оптимізувати пошук техногенних джерел.
Є.І.: Але ви не перевіряєте кожну нову пожежу на карті?
Г.П.: Ні, кожну нову пожежу ми не перевіряємо вручну, на це просто не вистачить наших рук. Ми показуємо інформацію як є і говоримо, що це автоматичні результати, отримані таким способом. Рішення про те, чи ця термоточка є пожежею, чи не є, залишається за кінцевим користувачем.
Є.І.: Скільки людей беруть участь у роботі над проектом?
Г.П.: В основі всього лежать відкриті технології, і ми використовуємо відкриті алгоритми, які застосовуємо, впроваджуємо та певною мірою адаптуємо, тому на цьому проекті задіяно небагато людей. Взагалі самими цими технологіями детектування пожеж за супутниковими знімками займається наукова група в американському університеті, певною мірою в цьому беруть участь російські фахівці.
У нас цим проектом займаються троє людей, поєднуючи його з основною роботою.
Є.І.: «Космознімки» – це некомерційний проект?
Г.П.: Сам публічний сайт – проект некомерційний. Але ми пропонуємо і комерційні рішенняна основі цього проекту та працюємо із замовниками – займаємося впровадженням технологій, консалтингом тощо. Ті технології, які були розроблені для карт пожеж, використовуються і в комерційних замовленнях.
Наприклад, у 2011 році був проект на користь Міністерства природних ресурсів, який, на жаль, вони потім припинили. В рамках цього проекту ми надавали оповіщення про пожежі на всіх територіях, що охороняються. федерального значення– заповідників, заказників, національних парків. Дирекціям та адміністраціям відповідних заповідників надсилалася інформація, що попереджає їх про загрозу пожежі у межах заповідника чи буферної зоні, тобто. поблизу даної охоронюваної природної території.
Як показав досвід впровадження цього проекту, така інформація була для них дуже корисною, тому що вони іноді навіть позбавлені швидкісного доступу до Інтернету і не можуть шукати в Інтернеті інформації про результати космічного моніторингу. А в рамках цього проекту вони отримували СМС на свої мобільні телефони – у повідомленнях їм надходили координати задетектованої пожежі. Далі вони вже самотужки перевіряли цю інформацію на місцевості.
Є.І.: А чи були ситуації, коли карта допомогла під час пожежі чи запобігти наслідкам?
Г.П.: Ось, наприклад, ця історія про заповідники. Я кілька разів чув про астраханський заповідник – хлопці їхали гасити одну пожежу, а їм надіслали сповіщення про іншу. Вони виїхали, справді там виявили пожежу та швидко її загасили.
Є.І.: Як швидко на карті з'являється інформація про пожежу?
Г.П.: Інформація надходить приблизно протягом півгодини після прольоту супутника. Супутник пролетів, інформація пішла в опрацювання, потім стала доступна на сайті. Кожен супутник пролітає двічі над однією точкою, а оскільки використовується три супутники, то виходить шість зйомок на добу однієї території. Це означає, що якщо на цій території відбувається пожежа, то інформацію про неї буде оновлено шість разів протягом доби.
Є.І.: Ви зберігаєте усі дані про пожежі?
Г.П.: Так, у нас зберігається архів із 2009 року. Взагалі архів даних із цих супутників доступний і за попередні роки, але ми ведемо свій архів зі старту проекту.
Є.І.: Які у вас плани на майбутнє? Як ви бажаєте розвивати проект далі?
Г.П.: У нас у найближчих планах є створення глобального ресурсу, який надаватиме інформацію по всьому світу. Крім того, ми сподіваємося, що можна буде використовувати не лише дані із супутників, а й інші дані, наприклад дані регіонального моніторингу.
Я розмовляв уже багато разів із розробниками систем відеоспостереження за пожежами – це системи, які продаються конкретним замовникам, наприклад регіональним лісгоспам. Вони закуповують цю систему та за допомогою неї проводять моніторинг пожеж на своїй території. І я дуже хотів би, щоб нам вдалося домовитися з ними і зацікавити їх, щоб вони цією інформацією обмінювалися і використовували нашу карту пожеж як майданчик для обміну інформацією.
Крім цього, хочеться, щоб була можливість розробляти технології, і ми маємо намір вкладати в це наші власні сили, як це буде можливо. Це, наприклад, технології прогнозування пожежної небезпеки на основі карти пожеж. Зараз не існує прогнозних моделей поширення пожеж та задимлення, це цілий незайманий пласт, а це стосується дуже багатьох. Ось ви живете, наприклад, у Москві і вам важливо знати прогноз задимлення через палаючі десь у сусідній області або в Підмосков'ї пожеж. Всі ми користуємося прогнозом погоди, але цей прогноз не включає ніколи інформації про пожежну небезпеку або екологічні загрози. Чи така інформація включатиметься в метеорологічну інформацію надалі – це питання майбутнього та вкладення якихось колективних зусиль.
Є.І.: Ви не думали про те, щоб зробити «Космознімки» відкритим краудсорсинговим проектом, щоб кожен користувач міг додавати інформацію про пожежі?
Г.П.: Ми маємо користувачів, яким ми такі можливості представляємо. Це ті, хто виїжджає на пожежі, але навіть зараз вони активно не додають інформацію. Я просто не бачу, на жаль, перспектив такого кроку.
А ось додавання на карту техногенних джерел - там, де за супутниковими знімками або картами можна зробити висновок про те, що в цьому місці знаходиться якесь антропогенне джерело тепла, - це дійсно потрібно зробити. Можливо, запропонувати спільнотам, які займаються відкритими даними, взяти участь у цьому проекті. Я просто до цього ще не дістався, але такі ідеї були.